WO2016063481A1 - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

　実施形態の蓄電装置は、蓄電素子とテーブルと電流制御部を有する。テーブルには蓄電素子が蓄電可能な充電量の範囲を示す充電率をいくつかに区分した充電率の区分範囲に、充電を開始する第１電圧、最大電流で充電を開始する第２電圧のいずれか一つ以上が表される充電特性と、放電を開始する第３電圧、最大電流で放電を開始する第４電圧のいずれか一つ以上が表される放電特性が定義されている。電流制御部は検出された蓄電素子の充電率に応じた特性をテーブルから選定し、選定した特性の各電圧を、蓄電素子へ充放電するための充放電制御特性の制御点に設定し、充放電制御特性に従い直流電源系統の電圧に応じて変換器を通じて直流電源系統と蓄電素子との間で充放電を行う。

Description

蓄電装置

　本発明の実施形態は、蓄電装置に関する。

　電力で車両を走行させる交通システムの一つに、例えば直流き電方式で電車を走行させる鉄道やモノレールなどがあるが、このような交通システムの場合、電車の発進／停止に伴う負荷の変動が激しく、電車へ電力を供給する架線の電圧も大きく変動する。

　架線には、変電所などの交流電源系統から送られる交流の電力を直流に変換して供給するため、ダイオード整流器などの電力変換装置を用いることが一般的である。

　電車が減速する際には回生電力が生じる。この回生電力は、回生インバータを設置して回収しなければならない。このため、回生インバータを設置しない場合は、電車からの回生電力を吸収する十分な負荷を電車の周辺に設置しなければならない。

　一方、回生インバータを設置したとしても、回生インバータが回生する電力を消費する負荷が系統に存在しなければ、回生電力は電力会社の送配電系統に逆潮流することとなり、鉄道事業者にとって購買電力量を低減する効果が得られない。

　このような問題点を解決するため、交通システムに電車の回生電力を吸収し畜積する蓄電装置を設置する場合がある。この蓄電装置は、電車の回生電力を吸収すると共に、蓄積したエネルギーを放電することが可能である。この蓄電装置の設置により、き電用の変電所の入力エネルギーを低減することが可能となる。

　また、蓄電装置は、架線電圧が低下した際に放電し、架線電圧が上昇した際に充電することで架線電圧の変動を抑制する機能も有する。このような蓄電装置の技術としては、例えば以下のようなものがある。

特許第５３７７５３８号公報 特開２００６－０６２４８９号公報

　特許文献１に記載される蓄電装置の技術の場合、充放電特性を設定した根拠が明確になっていない。また、充電開始電圧に相当する、Ｃｈａｒｇｅ＿ｔｈ＿ｌｏｗが１６２０Ｖ、すなわちＤＣ１５００Ｖのき電系統における８%電圧変動率の整流器の無負荷送り出し電圧以上にされていることから、蓄電装置の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）の上昇に伴い、ＳＯＣによって表される全範囲で、無負荷送り出し電圧よりも充電開始電圧が上昇し、列車からの回生電力量が減少してしまうという問題がある。

　また、実際には整流器の無負荷送り出し電圧変動があり、無負荷送り出し電圧が上昇してしまう場合や、余剰回生電力が過多の場合、蓄電素子のＳＯＣが増加してしまう問題があり、特許文献１の技術では蓄電装置が十分に放電できる放電特性を設定する前に、蓄電池の充電開始電圧を上昇させ、列車の回生絞込みを誘発する特性であり、省エネルギーな充放電制御を実現することができていない。

　また、特許文献１の技術では、調整充放電電流を流さない充放電方式が例示されていたのに対し、特許文献２には、充電率の増減に伴い充放電開始電圧を可変させることが示されているが、特許文献２の技術の場合、蓄電装置を運用中に偏ったＳＯＣになることを抑制するための充電率制御を取り入れており、ＳＯＣの調整のために無駄な充放電損失が発生することになる。

　また、ＳＯＣに応じて充電開始電圧・放電開始電圧を変える充放電制御を用いるに際し、具体的にどのような充放電特性を有することで、蓄電素子の充放電損失を軽減し、回生失効を十分に抑制し、路線の負荷分布の変化や、き電設備の運用状態（変電所の整流器の稼働状況）に応じて充放電できるようになるのか示されていない。

　本発明が解決しようとする課題は、蓄電素子の充放電効率を改善し、車両の回生失効を最大限抑制しつつ、き電用の変電設備からの給電停止やき電回路上の列車負荷分布の変化にも対応し、蓄電素子の充電状態を所定の充電状態の範囲内に収めることができる蓄電装置を提供することにある。

　実施形態の蓄電装置は、蓄電素子、変換器、電圧検出部、充電率検出部、記憶部、電流制御部を備える。蓄電素子は蓄電し充放電が可能である。変換器は直流電源系統と蓄電素子との間で電圧を変換する。電圧検出部は変換器を通じて直流電源系統の電圧を検出する。充電率検出部は蓄電素子の充電率を検出する。記憶部は蓄電素子が蓄電可能な充電量の範囲を示す充電率をいくつかに区分した充電率の区分範囲に、充電を開始する第１電圧、最大電流で充電を開始する第２電圧のいずれか一つ以上が表される充電特性と、放電を開始する第３電圧、最大電流で放電を開始する第４電圧のいずれか一つ以上が表される放電特性を定義したテーブルを記憶する。電流制御部は充電率検出部により検出された蓄電素子の充電率に応じた特性をテーブルから選定し、選定した特性の各電圧を、蓄電素子へ充放電するための充放電制御特性の制御点に設定し、充放電制御特性に従い電圧検出部により検出された直流電源系統の電圧に応じて変換器を通じて直流電源系統と蓄電素子との間で充放電を行う。記憶部には、充電率の区分範囲毎に、第１電圧乃至第４電圧の制御点の設定を上昇傾向または下降傾向に可変する制御特性を定義している。

実施形態の電車給電システムの構成を示す図である。 き電線の電圧の変動に応じて蓄電素子の充放電制御を行う制御特性を示す図である。 充電率と制御点の電圧との関係を示す特性図である。

　以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。

（実施形態）
　図１は実施形態の電車給電システムの構成を示す図である。
　電車給電システムは、鉄道やモノレールなどの交通機関における車両、例えば電車などに対して、変電所から、き電回路を通じて直流の電力を給電する直流き電方式の電力供給システムである。

　図１に示すように、実施形態の電車給電システム１０は、蓄電装置４と、変電所の変電設備５とを、き電回路２を介して接続して構成されている。き電回路２はき電線２ａ（架線または電力線）とレール２ｂ（帰線または帰線路）を有する直流電源系統である。

　変電設備５は、例えば５ｋｍごと、または鉄道やモノレールなどの駅毎に設置されている。図１に示すように、変電設備５は、交流遮断器１２、変圧器１３、常用の交流遮断器１４、整流器１５、直流遮断器１６を、き電回路２（直流電源系統）と交流電源系統１１との間に接続している。

　交流遮断器１２は、例えば商用電源である交流電源系統１１と変圧器１３との間を、電気的に接続または遮断する。上述した交流電源系統１１は、直流き電のための交流系統の常用電源となる。

　変圧器１３は、交流電源系統１１の電圧をき電回路２用の電圧へ変圧する。交流遮断器１４は、変圧器１３と整流器１５との間を電気的に接続または遮断する。

　整流器１５は、例えばダイオード整流器やＰＷＭコンバータなどであって、交流を直流に変換する交直変換器である。つまり整流器１５は、変圧器１３で変圧された交流電源系統１１の電力を直流に変換して、き電回路２に供給するものである。

　直流遮断器１６は、き電回路２と整流器１５との間を、電気的に接続または遮断する。なお、このような変電設備５は、必ずしも同一の場所または筐体内に集約して配置されていなくてもよい。

　電車１は、変電設備５の側から、き電回路２を介して直流の電力の供給を受けて走行する。電車１は、モノレールで使用される車両、鉄道で使用される車両、電気自動車など、電気を駆動源として走行するあらゆる電気車が該当する。

　レール２ｂは、き電線２ａと対をなし帰線電流が流れる導体である。なおレール２ｂ以外の例えばゴム車輪などで走行する交通機関や一部の地下鉄などは、レール２ｂの代わりに帰線電流が流れる専用の導体が帰線路として設置される。

　この例では、き電線２ａとレール２ｂとで、き電回路２を構成しているが、第三軌条方式や、第四軌条方式を採用する方式、また、き電線でなくトロリ線のみで構成される方式であってもよい。

　一方、蓄電装置４は、例えば３ｋｍ毎などに分散して配置されていると共に、変電設備５の位置とは距離を開けて設置されている。

　図１に示すように、蓄電装置４は、き電回路２（き電線２ａとレール２ｂ）に接続されている。蓄電装置４は、直流遮断器４１、変換器４２、蓄電素子４３、充電状態検出部４４、直流電圧検出部４５、テーブル４７、充放電制御部４８を備える。テーブル４７はメモリに記憶されている。充放電制御部４８はセントラルプロセッシングユニット（ＣＰＵ）により実現される。

　直流遮断器４１は、変換器４２と、き電線２ａとの間を電気的に接続または遮断する。変換器４２は、き電線２ａと蓄電素子４３との間で電力の授受を行う。

　変換器４２は、例えばスイッチング素子をゲート駆動する昇降圧チョッパ回路（buck-boost Converter）などから構成されており、き電線２ａと蓄電素子４３との間で電圧を変換する。また変換器４２は、充放電制御部４８により制御されて蓄電素子４３への電流を調整し充放電動作を行う。
　変換器４２は、変換器４２に適用される素子は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）のような自己消弧型の素子であり、この種の素子をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動することで、蓄電素子４３への充放電が行われる。

　変換器４２は、蓄電素子４３が例えば蓄電池やコンデンサであればＤＣ／ＤＣコンバータの機能を備えるものとなり、また、蓄電素子４３が例えばフライホイールであればＤＣ／ＡＣ変換を実現するインバータの機能を備えるものとして構成される。

　蓄電素子４３は、例えばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池といった蓄電池や、電気二重コンデンサ、フライホイールなどのエネルギー蓄積素子である。蓄電素子４３は、き電線２ａ（直流電源系統）からの電流で充電およびき電線２ａ（直流電源系統）への放電が可能なものである。

　直流電圧検出部４５は、例えば、き電線２ａの電圧（直流電圧）を変換器４２を通じて検出して充放電制御部４８に通知する。なお、充放電制御部４８が充放電制御に用いる直流電圧は、この例のき電線２ａの電圧の他、例えばき電線２ａの電圧に対してＬＣフィルタなどを介して接続された検出器の電圧であってもよい。

　充放電状態検出部４４は、蓄電素子４３の充電状態（ＳＯＣ）を充電率［％］として検出する。充放電状態検出部４４は蓄電素子４３の電圧から充電量を測定し、予め設定された変換テーブル（図示せず）により０～１００％の範囲に割り振ることで充電率［％］に置換する。すなわち充放電状態検出部４４は、蓄電素子４３の充電率を検出する充電率検出部である。

　なお、ＳＯＣ以外に充電状態を表すＳＯＥ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ）を用いてもよい。ＳＯＥは現在の充電されているエネルギーを最大充電可能なエネルギーで割ったものであり、例えば蓄電池のＳＯＣに代表されるＡｈで定義されるものとは異なるものである。

　充放電制御部４８は、充電率状態検出部４４により検出された蓄電素子４３の充電率に応じた特性をテーブル４７から選定する。

　充放電制御部４８は、選定した特性の各電圧を、蓄電素子４３へ充放電するための充放電制御特性の制御点に設定し、充放電制御特性に従い直流電圧検出部４５により検出されたき電線２ａの電圧（直流電圧）に応じて変換器４２を通じてき電線２ａと蓄電素子４３との間で充放電を行う電流制御部として機能する。

　すなわち、充放電制御部４８は、直流電圧検出部４５により検出されたき電線２ａの電圧（直流電圧）を基に、直流遮断器４１の動作を制御しつつ、変換器４２が、き電回路２から蓄電素子４３に対して入出力する充放電電流（充電電流および放電電流）を制御する。

　充放電制御部４８は、図２に示すように、き電線２ａの電圧に応じて適切に充放電を行うための制御グラフ２０（制御シーケンスまたは制御関数）を有しており、この制御グラフ２０に従って、充放電電流（充電電流および放電電流）を調整する。

　図２は横軸にき電線２ａの電圧をとり、縦軸に蓄電素子４３に流す充電電流および放電電流をとり、き電線２ａの電圧の変化に応じて充電電流を蓄電素子４３に流しまたは放電電流にて蓄電素子４３を放電させるための充放電制御部４８の制御特性（制御グラフ）を示す図である。つまりこの制御特性は、蓄電素子４３から検出されるき電線２ａの電圧と蓄電素子４３に対する充電電流および放電電流との関係を示すものである。

　同図の制御グラフ２０には、充放電制御のための切り替えポイント（以下「制御点」と称す）が４点設定されている。制御点２１は充電を開始するポイントである。制御点２２は充電時に充電電流が最大となるポイントである。制御点２３は放電を開始するポイントである。制御点２４は放電時に放電電流が最大となるポイントである。

　すなわち、き電線２ａの電圧が既定値（グラフ横軸の中央部分の範囲Ｓ）よりも低くなって放電を開始する電圧の制御点２３に達すると、負荷を変えて蓄電素子４３からの出力電流を増大させ（放電し）、そのまま放電を続けて放電電流が最大となる電圧の制御点２４に達すると、その後は放電電流が最大値のまま出力されるよう制御する。

　一方、き電線２ａの電圧が既定値（グラフ横軸の中央部分の範囲Ｓ）よりも高くなって充電を開始する電圧の制御点２１に達すると、蓄電素子４３への充電電流を増大させて、充電電流が最大となる電圧の制御点２２に達すると、その後は充電電流が最大値のまま充電がなされるよう制御する。なお、このテーブル特性は数式やリミッター等を用いた制御ブロックで表現してもよい。

　テーブル４７は、充放電制御部４８により参照される。充放電制御部４８は、検出された蓄電素子４３の充電率に応じて各制御点２１～２４に設定するための電圧をテーブル４７から読み出し、読み出した電圧を図２の制御グラフ２０に設定することで制御特性を変える。

　テーブル４７には、上述した図２の４つの制御点２１～２４に設定する電圧３１～３４が充電率の値に対応して記憶されている。

　テーブル４７には、蓄電素子４３が蓄電可能な充電量の範囲を示す充電率をいくつかに区分した充電率の区分範囲に、充電を開始する第１電圧３１、最大電流で充電を開始する第２電圧３２のいずれか一つ以上が表される充電特性と、放電を開始する第３電圧３３、最大電流で放電を開始する第４電圧３４のうちのいずれか一つ以上の電圧が表される放電特性が設定（定義）されている。

　すなわちこのテーブル４７は、充電を開始する電圧３１、最大充電電流で充電する電圧３２、放電を開始する電圧３３、および最大放電電流で放電する電圧３４と、充電率との関係を表わすテーブルである。

　電圧３１～３４をそれぞれ充電率の変化に従い結んだグラフが、図３に示すような４本の折れ線グラフ（特性）となる。

　図３は横軸に蓄電素子４３の充電率をとり、縦軸に蓄電素子４３から検出される直流電流をとり、き電線２ａの電圧の変化に応じて充電電流または放電電流を流し、蓄電素子４３に対して充放電を行うための制御特性を示す図である。

　制御特性は４本の制御曲線で定義されている。制御曲線はメモリに記憶されている。図３の制御曲線は、充電率の区分範囲毎に、各第１電圧３１～第４電圧３４の制御点２１～２４の設定を上昇傾向または下降傾向に可変する制御特性を定義したものである。

　それぞれの折れ線グラフは、蓄電素子４３が蓄電可能な充電量の範囲を示す充電率０～１００％をいくつかに区分した充電率の区分範囲（区分帯域または区分領域）毎に制御点２１～２４に設定された電圧３１～３４で決る充電率の範囲（充電範囲、放電範囲および充放電範囲が設定されている。

　具体的には、充電率の区分範囲（蓄電素子４３の動作範囲）としては、例えば０－２５％，２５－３５％，３５－４０％，４０－５０％，５０－６０％，６０－６５％，６５－７０％，７０－７５％，７５－１００％などに区分されている。

　テーブル４７には、それぞれに区分された充電率の値毎に、図２の制御点２１～２４に設定する電圧３１～３４が記憶されている。

　制御点２１に設定する電圧３１は、充電を開始する電圧であり、これを第１電圧という。制御点２２に設定する電圧３２は、充電時に充電電流が最大となる電圧（最大電流で充電を開始する電圧）であり、これを第２電圧という。制御点２３に設定する電圧３３は、放電を開始する電圧であり、これを第３電圧という。制御点２４に設定する電圧３４は、放電時に放電電流が最大となる電圧（最大電流で放電を開始する電圧）であり、これを第４電圧という。

　充放電制御部４８は、充電状態検出部４４により検出された充電率に対応する第１電圧乃至第４電圧をテーブル４７から読み出し、読み出した第１電圧乃至第４電圧を用い、直流電圧検出部４５により検出された電圧に応じて変換器４２の電流を制御することで蓄電素子４３に対する充放電を行う。

　この制御動作を実施するにあたり、放電を開始する電圧３３または放電時に放電電流が最大となる電圧３４のいずれか一方と、充電を開始する電圧３１または充電時に充電電流が最大となる電圧３２のいずれか一方との組み合わせで実現してもよい。

　具体的には、図３に示すように、充電率が０－２５％の範囲では各電圧３１～３４が変化せず一定に推移する。

　２５－３５％の範囲には、第２の充電率の範囲としての第１放電特性６１が設定されている。この第１の放電特性６１には、充電率（ＳＯＣ）の低下（３５％から２５％に）に伴い放電を開始する電圧３３と、最大電流で放電を開始する電圧３４が低下する放電特性（下降傾向を示す特性）が含まれている。

　３５－４０％の区分範囲には、第６の充電率の範囲としての第２充放電特性７２が設定されている。この第２充放電特性７２には、第１の充電特性５１と第１の放電特性６１との間において、ＳＯＣの増加に伴い放電を開始する電圧３３、最大電流で放電を開始する電圧３４が増加する放電特性（上昇傾向を示す特性）と、前述した放電が設定されるのと同じＳＯＣの区分範囲に、ＳＯＣの増加に伴い充電を開始する電圧３１と、最大電流で充電を開始する電圧３２が増加する充電特性（増加特性）が含まれている。

　この第２の充放電特性７２は、整流器１５から蓄電素子４３へ充電して、き電線２ａの電圧が低下した際に、き電線２ａの電圧を抑制するための充放電特性である。仮に放電対象となる負荷が多くなった場合、蓄電池のＳＯＣが低下する。このときに整流器１５の送り出し電圧よりも低い電圧に充電開始電圧が設定され、整流器１５から充電され、ＳＯＣの低下が抑制される。

　また、放電開始電圧もＳＯＣの低下により低下することから放電しにくい電圧に推移し、き電線２ａの電圧降下が大きいときに放電する電圧となる。この効果によってもＳＯＣが低下することが抑制される。

　また、この第２の充放電特性７２が設定されることで、き電線２ａの電圧が高いときに整流器１５から充電し、き電線２ａの電圧が低いときに放電することが可能になり、全体としてき電線２ａの電圧低下を抑制することが可能になる。

　き電線２ａの電圧の低下が改善されれば、き電線２ａに流れる電流も抑制され、き電線２ａやトロリ線、レール２ｂ（帰線）を電流が流れることによって発生する抵抗損（き電損失）を抑制することも可能になる。

　この第２の充放電特性７２は、すなわち、整流器１５から蓄電素子４３にエネルギーを入力し、さらに、き電線２ａの電圧が下がったときに放電する動作であり、定性的には蓄電素子４３の充放電損失が発生してしまい、効率が悪い。

　しかし、蓄電素子４３への機能要求としてき電線２ａの電圧低下を抑制したい場合、蓄電素子４３の損失よりもき電損失が大きくき電損失の低減を図ることが可能な場合などに適用することができる。

　４０－５０％の区分範囲には、第５の充電率の範囲としての第１の充放電特性７１が設定されている。この第１の充放電特性７１には、第１の充電特性５１と第１の放電特性６１との間にあって、充電率の増加に伴い放電を開始する電圧３３が上昇する特性、最大電流で放電を開始する電圧３４が上昇する特性のうちの一方または両方の上昇傾向を示す特性が含まれている。

　またこの第１の充放電特性７１は、これら上昇傾向の電圧３３、３４に対応して同区分範囲において、ＳＯＣの変化によらず充電を開始する電圧３１、最大充電電流で充電を開始する電圧３２が一定になる特性（電圧３１と電圧３２が平行に推移する特性）を有している。

　例えばこのときの充電開始電圧３１は、整流器１５の無負荷送り出し電圧である。この第１の充放電特性７１を設定することにより、整流器１５の無負荷送り出し電圧と同レベルの電圧で充電を行うことで、より遠方の電車からの回生電力を充電することが可能になり、回生失効の抑制効果を高めることができる。

　また、充電電力量が増加しても、この第１の充放電特性７１に設定されたＳＯＣの増加に伴い放電を開始する電圧３３、最大電流で放電を開始する電圧３４が高まる放電特性により、放電電力量が高まりＳＯＣを安定化することができる。

　このときに設定された範囲の特性でＳＯＣ上昇が抑制しきれなかったとしても、前述した第２の充電特性５２や第２の放電特性６２によってＳＯＣの上昇をさらに抑え込むことができる。

　この第１の充放電特性７１の区分範囲において放電を開始する電圧３３は、最大で整流器１５の無負荷送り出し電圧と同程度の電圧まで設定可能である。またＳＯＣが低いときの最小放電開始電圧は、その装置が設定された目的に沿って設定される。

　例えば、整流器１５が出力している電流が１ｐ．ｕ．以上出している領域を必ずアシストするという蓄電素子４３への機能要求であれば、１ｐ．ｕ.のときの電圧、すなわちＤＣ１５００Ｖき電システムならば１５００Ｖを最小設定値とする。特にアシストの要求がない場合は、この最小値を列車の走行下限電圧、例えばＤＣ１５００Ｖ系の列車であれば８５０Ｖ～９００Ｖと同レベルまたはそれ以下に設定してもよい。

　５０－６０％の区分範囲には、第４の充電率の範囲としての第２の充電特性５２が設定されている。この第２の充電特性５２には、第１の充電特性５１と第１の放電特性６１との間にあって、ＳＯＣの増加に伴い充電を開始する電圧３１、最大電流で充電を始める電圧３２が増加する充電特性（上昇傾向を示す特性）が含まれている。

　この第２の充電特性５２を設定することで、き電回路２に接続される変電設備５の側の整流器１５の無負荷送り出し電圧の変動に対応することができる。

　例えば、整流器１５の無負荷送り出し電圧が増加すれば、き電回路２の電圧が上昇し蓄電素子４３が充電しやすくなりＳＯＣが増加する。ここで、ＳＯＣによらず一定の充電開始電圧を維持していると、いずれ第１の充電特性５１や第２の放電特性６２で充放電動作することになり、ＳＯＣの増加による充電を開始する電圧３１の上昇を誘発したり、整流器１５から充電した電流をすぐに放電する動作をすることになり、蓄電装置４として無駄な充放電動作をすることになる。

　結果として、電車１に対して回生絞込み制御を誘発させたり、蓄電素子４３の充放電損失の発生により電池温度が上昇したり、変電設備５の整流器１５の入力電力量が増加することになる。

　しかし、第２の充電特性５２を設定することにより、ＳＯＣの上昇に応じて充電を開始する電圧３１が上昇することから整流器１５からの充電が抑制される。これにより前述のような蓄電素子４３の充放電損失の発生や回生絞込み制御の誘発を抑制することができる。

　具体的な設定値としては、ＤＣ１５００Ｖのき電システムを一例に挙げるなら、ＳＯＣの増加に応じて充電を開始する電圧３１が１５９０Ｖ～１６２０Ｖまたは１６５０Ｖ程度まで増加していく特性である。

　１５９０Ｖというのは整流器１５の無負荷送り出し電圧に相当し、１６２０Ｖ～１６５０Ｖというのは、整流器１５に入力される交流電源系統１１の電圧変動によって生じる無負荷送り出し電圧変動の最大値である。

　すなわち、交流電源系統１１の電圧変動を想定し、き電回路２に接続される整流器１５の無負荷送り出し電圧変動の最大値と同レベル程度、またはそれ以上に充電開始電圧を変化させる特性となる。

　６０－６５％の区分範囲には、第３の充電率の範囲としての第２の放電特性６２が設定されている。この第２の放電特性６２は、第１の放電特性６１と第１の充電特性５１との間に挟まれる範囲（ＳＯＣの範囲）においてＳＯＣの増加に伴い放電を開始する電圧３３および放電を最大電流で開始する電圧３４が増加する放電特性（上昇傾向を示す特性）を示す。

　すなわちこの第２の放電特性６２は、第１の放電特性６１と第１の充電特性５１との間にあって、電圧３３が上昇傾向を示し、また電圧３４が放電電流が最大の電圧（図３の最大放電電流に達する電圧ＶＨａ）に至るまで上昇する傾向を共に示す。なおこの第２の放電特性６２における電圧３３、３４の上昇傾向はいずれか一方の電圧であってもよい。
　この第２の放電特性６２を設けることにより、充電率の増加に伴い放電を開始する電圧３３が増加して放電しやすくなり、ＳＯＣの上昇を抑えることができる。

　第１の充電特性５１と第２の放電特性６２をＳＯＣに対して逆の順序で設定してしまうと、ＳＯＣ上昇に伴い先に充電開始電圧が上昇してしまい、結果として列車の回生絞込み制御を誘発してしまうため、省エネ効果、回生失効抑制の効果の観点から不適切である。

　このため第１の充電特性５１よりも低い充電率の範囲（ＳＯＣの範囲）に第２の放電特性６２を設定することが必要である。

　具体的な設定値としては、ＤＣ１５００Ｖのき電システムであれば、放電を開始する電圧３３の最大値は、無負荷送り出し電圧と同程度、例えば１５９０Ｖ程度となる。実際には直流電圧検出部４５の誤差を想定し、これよりも低い値を設定してもよい。

　６５－７０％の区分範囲には、第７の充電率の範囲としての第３充放電特性７３が設定されている。この第３充放電特性７３は、前述した第２の放電特性６２と第１の充電特性５１との間にあって、ＳＯＣの変化によらず放電を開始する電圧３３、最大電流で放電を開始する電圧３４、充電を開始する電圧３１、最大電流で充電を開始する電圧３２を一定に保つような充放電特性（充電側の電圧３１と電圧３２、放電側の電圧３３と電圧３４が平行に推移する特性）を示す。換言すると、電圧３１および／または電圧３２と、電圧３３および／または電圧３４とが一定の電圧となる特性を有している。

　これは、例えば第２の放電特性６２によってＳＯＣの上昇を抑えきれなかった場合、すぐに第１の充電特性５１により充電を開始するのではなく、最大電流で放電を開始する電圧３４で放電し、このときに設定可能なできるだけ低い充電開始電圧３１で充電するという特性を維持することで、第１の充電特性５１の区分範囲（ＳＯＣの範囲）に入らずに蓄電素子４３を動作させることができる。この第３の充放電特性７３を設定することにより、充電を開始する電圧３１の上昇を抑制し、回生失効を抑制することが期待できる。

　７０－７５％の区分範囲には、第１の充電率の範囲としての第１充電特性５１が設定されている。この第１充電特性５１には、ＳＯＣの増加に伴い充電を開始する電圧３１および最大電流で充電を開始する電圧３２が増加する特性（上昇傾向を示す特性）が含まれている。

　７５－１００％の区分範囲は、各電圧３１～３４が変化のない一定電圧（平行な特性）となる範囲である。

　以上のように、テーブル４７には、ＳＯＣの低い方から順に、第１の放電特性６１、第２の充放電特性７２、第１の充放電特性７１、第２の充電特性５２、第２の放電特性６２、第３の充放電特性７３、第１の充電特性５１といった配置関係になるように充電特性の範囲、放電特性の範囲および充放電特性の範囲を設定している。

　このとき、上記範囲の中の全ての範囲を設定する必要はなく、第１の放電特性６１、第１の充電特性５１の他に上記各特性の範囲の中から少なくとも一つ以上の範囲を用いて充放電の範囲を設定してもよい。

　このようにＳＯＣに対する範囲の配置関係が設定されることにより、き電線２ａの電圧が低下した際のき電線電圧補償、できるだけ低い充電開始電圧の設定による回生失効の抑制、整流器１５の無負荷送り出し電圧変動に伴う充電開始電圧の補正、過大な回生電力を充電した際に生じる充電率上昇の抑制などが可能になる。

　さらに、蓄電装置４に近接するき電設備、例えば変電設備５からの給電が停止し（変電所の脱落など）、電圧変動が大きくなったとしても、本実施形態の充放電制御により低ＳＯＣ範囲で充放電することで、架線電圧補償する充放電特性に連続的に特性を変化させることが可能になる。

　また、電車１の運行ダイヤが乱れ負荷密度の変化があったとしても、同様に閑散状態から、高負荷状態まで、き電回路２の負荷特性に合わせた充放電特性の範囲が連続的に配置（設定）されるので、蓄電素子４３の充放電を効率よく行うことが可能になる。

　以上の実施形態において、ＳＯＣを充電率として説明したが、蓄電素子４３が例えばコンデンサの場合は、そのコンデンサの端子電圧、また蓄電素子４３が例えばフライホイールの場合は、エネルギー蓄積要素であるその回転体の回転速度で代用できる。

　また、上記実施形態では、ＤＣ１５００Ｖの直流き電システムについて具体的に設定値などを説明したが、同様の考え方で、例えばＤＣ７５０Ｖ、ＤＣ６００Ｖなどの直流き電システムにも適用することは可能である。

　なお上記充電率の区分範囲は、充電率の区分の仕方を一例として示したものであり、充電率の区分の仕方についてはこの例に限定されるものではない。

　つまりテーブル４７には、例えば交流電源系統１１の電圧変動に応じて変わる蓄電素子４３の充電率［％］の区分範囲毎にそれぞれ異なる特性を持つ充電範囲、放電範囲および充放電範囲が記憶されている。

　充放電制御部４８は、充電率が検出されると、テーブル４７を参照して蓄電素子４３の充電率の区分範囲（動作範囲）に応じた、充電範囲、放電範囲および充放電範囲を決定（選定）する。充放電制御部４８は、充放電制御部４８により決定（選定）された充電範囲、放電範囲および充放電範囲にて充放電の電流を制御し蓄電素子４３の充電または放電を実行する。

　充放電制御部４８は、充放電制御部４８より、蓄電素子４３の充電状態に応じた充放電の量域の電圧が指示されると、指示された電圧を、図２に示した充放電の制御グラフ上の各制御点２１～２４に設定し、き電線２ａの電圧（直流電圧）の値に応じた充電電流または放電電流にて蓄電素子４３の充電または放電を実行する。

　具体的には、き電線２ａの電圧（直流電圧）の値が、放電を開始する制御点２３の電圧以下になっている場合に、その制御点２３に対応する電流値で蓄電素子４３の放電を実行する。
　また、充放電制御部４８は、き電線２ａの電圧（直流電圧）の値が、充電を開始する制御点２１の電圧以上になっている場合に、その制御点２１に対応する電流値で電流を蓄電素子４３に流し蓄電素子４３の充電を実行する。

　さらに、充放電制御部４８は、検出されたき電線２ａの電圧（直流電圧）の値が、制御点２３を超えかつ制御点２１未満である場合に充放電を停止する。また、充放電制御部４８は、き電線２ａの電圧の値が、放電の制御点２３を超えかつ充電の制御点２１未満であることが所定時間継続した場合に充放電を停止する。

　つまり、図２における、き電線２ａの電圧の電圧範囲Ｓは、蓄電素子４３に充放電をしない電圧範囲（変換器４２を停止してゲートブロックする電圧範囲）を示している。

　なお、き電回路２の電圧を検出するだけでなく、き電回路２に流れる電流の値または電力の値を検出して当該する電流値または電力値が放電の制御点２３を超えかつ充電の制御点２１未満である場合に充放電を停止してもよい。

　また、この他、充放電制御部４８は、き電回路２に流れる電流の値または電力の値が、当該電流の値または当該電力の値に対応させた放電閾値を超えかつ充電閾値未満であることが所定時間継続した場合に充放電を停止するものと決定してもよい。

　充放電制御部４８は、充放電状態検出部４４により検出された蓄電素子４３の充電率をキーにしてテーブル４７を参照して該当する充電範囲、放電範囲および充放電範囲を選定（決定）する。

　つまり、充放電制御部４８は、検出された蓄電素子４３の充電率に基づいてテーブル４７に予め記憶（設定）されている充放電範囲を選定し、充放電制御部４８に通知（指示）する。これにより、充放電制御部４８は、選定された充放電範囲の各電圧を図２に示した各制御点２１～２４に設定し、検出されたき電線２ａの電圧に応じてき電回路２に流れる電流を調整、つまり変換器４２による蓄電素子４３の充電または放電を行う。

　このようにこの実施形態の電車給電システム１０によれば、予めテーブル４７に、ＳＯＣの低い方から順に、第１の放電特性６１、第２の充放電特性７２、第１の充放電特性７１、第２の充電特性５２、第２の放電特性６２、第３の充放電特性７３、第１の充電特性５１といった配置関係になるように充電範囲、放電範囲および充放電範囲を設定しておき、蓄電素子４３の充電率を検出し、その充電率に応じた範囲をテーブル４７から選定し、その範囲の各電圧を図２に示した制御グラフ２０（充放電制御情報）に設定し、制御グラフ２０に従いき電線２ａの電圧に応じて変換器４２を通じて電線２ａの電圧と蓄電素子４３との間で充放電を行うことで、以下のような効果が得られる。

　１）ＳＯＣを一定に保つための調整充放電電流を流さず不要な充放電を抑制することで、無駄な充放電サイクルを抑制すると共に、充放電損失を低減することができる。

　２）変電設備５や電車１の負荷条件の変化に追従可能であり、整流器１５の停止、整流器１５の運転台数の変更、変圧器のタップ変更などが行われた場合であっても整定値を変更することなく安定動作させることができる。

　３）整流器１５の無負荷送り出し電圧近傍から回生電力を吸収し充電動作が可能なので、遠方に在線する電車１からの回生電力を充電することができるようになる。

　４）変換器４２の動作を常に監視し、過負荷になると充放電電力を絞り込む制御を行うので、過負荷による蓄電装置４の停止を抑止することができ、高い稼働率で運転を行うことができる。

　すなわち、蓄電素子４３の蓄電容量のうち実用帯域において細かな充放電の制御を行うことで、蓄電素子４３の充放電損失を軽減し、回生失効を十分に抑制し、電車１の運行に伴うき電回路２の負荷分布の変化や、変電設備５の運用状態（変電所の整流器の稼働状況）に応じた充放電を行うことができる。

　この結果、蓄電素子４３の充放電効率を改善し、車両１の回生失効を最大限抑制しつつ、き電用の変電設備からの給電停止やき電回路２上の列車負荷分布の変化にも対応し、蓄電素子４３の充電状態を所定の充電状態の範囲内に収めることができる蓄電装置４を提供することができる。

　本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

　また上記実施形態に示した蓄電装置４内の少なくとも一つの構成要素を、コンピュータのハードディスク装置などのストレージにインストールしたプログラムで実現してもよく、また上記プログラムを、コンピュータ読取可能な電子媒体：electronic mediaに記憶しておき、プログラムを電子媒体からコンピュータに読み取らせることで本発明の機能をコンピュータが実現するようにしてもよい。電子媒体としては、例えばＣＤ－ＲＯＭ等の記録媒体やフラッシュメモリ、リムーバブルメディア：Removable media等が含まれる。さらに、ネットワークを介して接続した異なるコンピュータに構成要素を分散して記憶し、各構成要素を機能させたコンピュータ間で通信することで実現してもよい。

　１…電車、２…き電回路、２ａ…き電線、２ｂ…レール、４…蓄電装置、５…変電設備、１０…電車給電システム、１１…交流電源系統、１２…交流遮断器、１３…変圧器、１４…交流遮断器、１５…整流器、１６…直流遮断器、４１…直流遮断器、４２…変換器、４２…変換部、４３…蓄電素子、４４…充電状態検出部、４４…充放電状態検出部、４５…直流電圧検出部、４７…テーブル、４８…充放電制御部。

Claims (7)

1. 　蓄電し充放電が可能な蓄電素子と、
   　直流電源系統と前記蓄電素子との間で電圧を変換する変換器と、
   　前記変換器を通じて前記直流電源系統の電圧を検出する電圧検出部と、
   　前記蓄電素子の充電率を検出する充電率検出部と、
   　前記蓄電素子が蓄電可能な充電量の範囲を示す充電率をいくつかに区分した充電率の区分範囲に、充電を開始する第１電圧、最大電流で充電を開始する第２電圧のいずれか一つ以上が表される充電特性と、放電を開始する第３電圧、最大電流で放電を開始する第４電圧のいずれか一つ以上が表される放電特性とを定義するテーブルを記憶する記憶部と、
   　前記充電率検出部により検出された前記蓄電素子の充電率に応じた特性を前記テーブルから選定し、選定した特性の各電圧を、前記蓄電素子へ充放電するための充放電制御特性の制御点に設定し、前記充放電制御特性に従い前記電圧検出部により検出された前記直流電源系統の電圧に応じて前記変換器を通じて前記直流電源系統と前記蓄電素子との間で充放電を行う電流制御部とを備え、
   　前記記憶部に、
   　前記充電率の区分範囲毎に、前記第１電圧乃至前記第４電圧の制御点の設定を上昇傾向または下降傾向に可変する制御特性を定義した蓄電装置。
2. 　前記制御特性は、
   　前記充電率の上昇につれて前記第１電圧が上昇する特性、前記充電率の上昇につれて前記第２電圧が上昇する特性のうちの一方または両方の特性が含まれる第１の充電特性と、
   　前記充電率の低下につれて前記第３電圧が下降する特性、前記充電率の低下につれて前記第４電圧が下降する特性のうちの一方または両方の特性が含まれる第１の放電特性と、
   　前記第１の充電特性と前記第１の放電特性の間に設けられ、前記充電率の上昇に伴い前記第３電圧が上昇する特性、前記充電率の上昇に伴い前記第４電圧がき電回路の定格電圧よりも高い電圧に上昇する特性のうちの一方または両方の特性が含まれる第２の放電特性を含む請求項１記載の蓄電装置。
3. 　前記制御特性は、
   前記充電率の上昇につれて前記第１電圧が上昇する特性、前記充電率の上昇につれて前記第２電圧が上昇する特性のうちの一方または両方の特性が含まれる第１の充電特性と、
   　前充電率の低下につれて前記第３電圧が下降する特性、前記充電率の低下につれて前記第４電圧が下降する特性のうちの一方または両方の特性が含まれる第１の放電特性と、
   　前記第１の充電特性と第１の放電特性との間に設けられ、前記充電率の上昇に伴い前記第１電圧が上昇する特性、前記充電率の上昇に伴い前記第２電圧が上昇する特性のうちの一方または両方の特性が含まれる第２の充電特性と
   を含む請求項１記載の蓄電装置。
4. 　前記制御特性は、
   　充電率の上昇につれて前記第１電圧が上昇する特性、前記充電率の上昇につれて前記第２電圧が上昇する特性のうちの一方または両方の特性が含まれる第１の充電特性と、
   　充電率の低下につれて前記第３電圧が下降する特性、前記充電率の低下につれて前記第４電圧が下降する特性のうちの一方または両方の特性が含まれる第１の放電特性と、
   　前記第１の充電特性と第１の放電特性の間に設けられ、前記充電率の上昇に伴い前記第３電圧が上昇する特性、前記充電率の上昇に伴い前記第４電圧が上昇する特性のうちの一方または両方の特性が含まれる放電特性と、この放電特性が設定される充電率の区分範囲において、前記充電率によらず、前記第１電圧および前記第２電圧のうちの一方または両方の電圧が一定の電圧となる充電特性とを有する第１の充放電特性と
   を含む請求項１記載の蓄電装置。
5. 　前記制御特性は、
   　充電率の上昇につれて前記第１電圧が上昇する特性、前記充電率の上昇につれて前記第２電圧が上昇する特性のうちの一方または両方の特性が含まれる第１の充電特性と、
   　前記充電率の低下につれて前記第３電圧が下降する特性、前記充電率の低下につれて前記第４電圧が下降する特性のうちの一方または両方の特性が含まれる第１の放電特性と、
   　前記第１の充電特性と前記第１の放電特性の間に設けられ、前記充電率の上昇に伴い前記第３電圧が上昇する特性、前記充電率の上昇に伴い前記第４電圧が上昇する特性のうちの一方または両方の特性が含まれる放電特性と、この放電特性が設定される充電率の区分範囲において、前記充電率の上昇に伴い前記第１電圧が上昇する特性、前記充電率の上昇に伴い前記第２電圧が上昇する特性のうちの一方または両方の特性が含まれる充電特性とを有する第２の充放電特性と
   を含む請求項１記載の蓄電装置。
6. 　前記制御特性は、
   　前記第２の充放電特性、前記第１の充放電特性、前記第２の充電特性、前記第２の放電特性のうちの２つ以上の特性が、前記充電率が低い側から高い側に向けて、前記第１の充放電特性、前記第２の充電特性、前記第２の放電特性の順序で定義されている請求項１乃至請求項４いずれか１項に記載の蓄電装置。
7. 　前記制御特性は、
   　前記充電率の上昇につれて前記第１電圧が上昇する特性、前記充電率の上昇につれて前記第２電圧が上昇する特性のうちの一方または両方の特性が含まれる第１の充電特性と、
   　前記充電率の低下につれて前記第３電圧が下降する特性、前記充電率の低下につれて前記第４電圧が下降する特性のうちの一方または両方の特性が含まれる第１の放電特性と、
   　前記第１の充電特性と前記第１の放電特性の間に設けられ、前記充電率の上昇に伴い前記第３電圧が上昇する特性、前記充電率の上昇に伴い前記第４電圧が最大放電開始電圧に達するまで上昇する特性のうちの一方または両方の特性が含まれる第２の放電特性と、
   　前記第２の放電特性と第１の充電特性の間に、前記充電率によらず前記第１電圧および前記第２電圧のうちの一方または両方の電圧と、前記第３電圧および前記第４電圧のうちの一方または両方の電圧とが一定となる第３の充放電特性と
   を含む請求項１記載の蓄電装置。

Images